朱婧瑋

（蘭州現(xiàn)代職業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730300）

2021 年全國(guó)兩會(huì)提出制定國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要，明確提出堅(jiān)持農(nóng)業(yè)農(nóng)村優(yōu)先發(fā)展，全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，走中國(guó)特色社會(huì)主義鄉(xiāng)村振興道路，立足農(nóng)業(yè)資源多樣性和氣候適宜優(yōu)勢(shì)，培育特色優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)，探索開展種植新模式，把產(chǎn)業(yè)培育、企業(yè)發(fā)展同群眾就業(yè)、鄉(xiāng)村振興、民族團(tuán)結(jié)更好地統(tǒng)籌起來，相互促進(jìn)、相得益彰[1]。甘肅省在中央企業(yè)助力甘肅鄉(xiāng)村振興和高質(zhì)量發(fā)展座談會(huì)中指出，甘肅歷史文化悠久厚重，地形地貌豐富多樣，戰(zhàn)略通道價(jià)值突出，資源優(yōu)勢(shì)相對(duì)明顯，紅色基因薪火相傳，正在成為各方投資的熱土和筑夢(mèng)興業(yè)的沃土[2]?；诖耍P者設(shè)計(jì)研發(fā)了一種適合甘肅經(jīng)濟(jì)發(fā)展、氣候特點(diǎn)和地域特色的智慧農(nóng)業(yè)溫室管控系統(tǒng)，并在當(dāng)?shù)赝茝V應(yīng)用，得到了當(dāng)?shù)卣娃r(nóng)戶的肯定。

1 智慧農(nóng)業(yè)溫室管控系統(tǒng)

溫室大棚種植方式是當(dāng)今我國(guó)農(nóng)業(yè)模擬生物生長(zhǎng)的一種有效措施，能夠很好地克服不同地理環(huán)境對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)的限制，減輕自然條件對(duì)農(nóng)作物種植的影響。經(jīng)市場(chǎng)調(diào)研，甘肅河西地區(qū)由于地域環(huán)境因素，近年來開始使用溫室種植。目前，溫室管理大多采用人工管理，普遍存在耗時(shí)費(fèi)力、風(fēng)險(xiǎn)不可預(yù)估、設(shè)施易損壞等情況，因此迫切需要提高溫室種植的智能化精準(zhǔn)管理水平，實(shí)現(xiàn)科學(xué)種植。

1.1 系統(tǒng)功能

該系統(tǒng)以農(nóng)業(yè)溫室大棚為研究對(duì)象，將物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用其中，依托各種傳感器和無線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、傳遞和分布式精準(zhǔn)控制與可視化管理。系統(tǒng)可采集棚內(nèi)環(huán)境及棚外天氣數(shù)據(jù)，將溫室的溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度及土壤溫濕度等氣候要素測(cè)試數(shù)據(jù)和攝像頭監(jiān)控畫面實(shí)時(shí)傳遞到農(nóng)戶手機(jī)端和Web 端。農(nóng)戶可隨時(shí)查看大棚實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)和歷史環(huán)境數(shù)據(jù)，對(duì)大棚現(xiàn)場(chǎng)通風(fēng)、卷簾、噴淋等設(shè)備進(jìn)行一鍵遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)的極端天氣預(yù)警功能，可使農(nóng)戶提前預(yù)知天氣變化，及時(shí)調(diào)整大棚設(shè)備，減少惡劣天氣造成的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)損失。系統(tǒng)配置了農(nóng)業(yè)作物種植技術(shù)資源庫(kù)及專家?guī)欤r(nóng)戶可在手機(jī)上查詢作物種植、病蟲害防治等學(xué)習(xí)資料，專家在線指導(dǎo)農(nóng)戶科學(xué)種植。系統(tǒng)集成了棚區(qū)員工考勤功能，為棚區(qū)工作人員管理提供便利。

1.2 市場(chǎng)分析及目標(biāo)客戶

經(jīng)調(diào)查，伴隨著西部地區(qū)大開發(fā)的浪潮，結(jié)合農(nóng)業(yè)農(nóng)村部下達(dá)的農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的政策，溫室大棚已成為西部地區(qū)尤其是河西地區(qū)鄉(xiāng)村振興開發(fā)的首選項(xiàng)目。河西地區(qū)是甘肅省重要農(nóng)業(yè)區(qū)之一，提供的商品糧占全省的70%。但是，河西地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境存在干熱風(fēng)危害、干旱危害、風(fēng)沙危害、低溫、霜凍、冰雹等問題。因此，亟需能夠?qū)厥覂?nèi)的環(huán)境要素控制和預(yù)警提醒的溫室智能監(jiān)控設(shè)備。根據(jù)2021 年甘肅省河西地區(qū)部分市州人民政府工作報(bào)告，2020 年武威市農(nóng)業(yè)增加值達(dá)到164.59 億元，穩(wěn)居全省第1 位，農(nóng)村居民人均可支配收入達(dá)到13 471 元、凈增4 370 元，年均增長(zhǎng)8.2%，全市農(nóng)業(yè)增加值占全省的比重超過13%；金昌市城鎮(zhèn)和農(nóng)村居民人均可支配收入分別達(dá)到43 189 元、16 976元；張掖市城鎮(zhèn)和農(nóng)村居民人均可支配收入分別達(dá)到28 976 元和16 020 元。這意味著甘肅省河西地區(qū)農(nóng)民收入逐年提高，購(gòu)買能力不斷增強(qiáng)，完全有能力購(gòu)買溫室智能監(jiān)控設(shè)備。近年來，許多大型企業(yè)也開始在農(nóng)業(yè)智能領(lǐng)域發(fā)展，在同等市場(chǎng)相較而言，雖然性能全，但是價(jià)格高，適合大規(guī)模大田種植，而對(duì)于甘肅河西地區(qū)的普通農(nóng)戶和在當(dāng)?shù)匦∫?guī)模的合作社并不適合[3]。本系統(tǒng)針對(duì)甘肅河西地區(qū)的特殊農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，以當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶和農(nóng)村合作社為主要目標(biāo)客戶進(jìn)行推廣，當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶對(duì)這種新型的生產(chǎn)模式和智能化設(shè)備正在試用和接受。

2 智慧農(nóng)業(yè)溫室管控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

智慧農(nóng)業(yè)溫室管控系統(tǒng)選用STM32F103ZET6 芯片作為系統(tǒng)主控芯片，交流220 V 供電。硬件電路主要包括傳感器電路、主控電路、顯示電路、通信電路、現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等?？諝鉁貪穸葌鞲衅鳌⑼寥罍貪穸葌鞲衅?、光照傳感器、二氧化碳傳感器采集溫室大棚內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)后送入主控芯片，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和計(jì)算，溫室現(xiàn)場(chǎng)的液晶顯示屏可顯示上述參數(shù)，溫室內(nèi)的大棚卷簾、通風(fēng)裝置、噴淋、補(bǔ)光燈等需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)適時(shí)開啟工作。所有現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)、攝像頭信號(hào)、考勤機(jī)數(shù)據(jù)都可上傳至用戶手機(jī)端和Web 端。下位機(jī)與上位機(jī)通過GPRS 通信方式，使用MQTT 協(xié)議與服務(wù)器通信[4-8]。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分按照功能模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，C 語言編程，Keil5.0 開發(fā)環(huán)境，主要負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算、處理，并將所有數(shù)據(jù)通過有線網(wǎng)絡(luò)和GPRS通信方式，使用MQTT協(xié)議與服務(wù)器通信。

2.3 上位機(jī)開發(fā)

1）開發(fā)環(huán)境。智慧農(nóng)業(yè)溫室管控系統(tǒng)在“Springboot+vue”環(huán)境下開發(fā)設(shè)計(jì)，使用SQL Server 2012 數(shù)據(jù)庫(kù)。主要完成對(duì)溫室內(nèi)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、預(yù)警提示、歷史數(shù)據(jù)調(diào)用查看、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控視頻查看、考勤管理等，上位機(jī)可支持手機(jī)端和Web 端操作。

2）技術(shù)架構(gòu)。溫室精準(zhǔn)控制系統(tǒng)運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)溫室設(shè)備遠(yuǎn)程控制，采集、存儲(chǔ)溫室環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，向農(nóng)戶實(shí)時(shí)傳送溫室環(huán)境數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)顯示、遠(yuǎn)程控制、實(shí)時(shí)畫面、天氣預(yù)警、考勤管理等功能為農(nóng)戶提供便捷的溫室管控操作，為作物科學(xué)種植提供有效方案。

3）手機(jī)端。手機(jī)App 支持安卓手機(jī)操作系統(tǒng)，用戶通過掃描二維碼進(jìn)行App 下載，運(yùn)行軟件進(jìn)入主界面，如圖2 所示。在設(shè)備列表點(diǎn)擊進(jìn)入設(shè)備的詳情，設(shè)備詳情界面包含了大棚環(huán)境信息實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，此時(shí)可以對(duì)設(shè)備的卷簾、通風(fēng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。同時(shí)通過配置按鈕可以對(duì)設(shè)備的溫室名稱、設(shè)備自動(dòng)控制、預(yù)警界限等進(jìn)行配置，還可以查詢歷史的設(shè)備操作記錄，查看設(shè)備真實(shí)的運(yùn)行情況。溫室安裝并接入?？稻W(wǎng)絡(luò)攝像頭，可以看到溫室內(nèi)外的監(jiān)控畫面，為用戶遠(yuǎn)程操作卷簾和通風(fēng)提供更加可靠的保障，同時(shí)可以利用室內(nèi)的攝像頭看到溫室作物的生長(zhǎng)情況，做到足不出戶智能化管理。

圖2 手機(jī)端主界面

4）Web 端。系統(tǒng)開發(fā)了Web 端溫室管理平臺(tái)，登錄界面如圖3 所示。該平臺(tái)可以對(duì)多個(gè)大棚同時(shí)進(jìn)行管理，也可以查詢溫室內(nèi)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和操作記錄等功能。平臺(tái)中也可以以曲線的方式查看數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)展示模塊定時(shí)每隔10 min 刷新一次數(shù)據(jù)，可以直觀地在一個(gè)頁(yè)面中看到溫室環(huán)境數(shù)據(jù)、棚內(nèi)外的實(shí)時(shí)監(jiān)控情況等。

圖3 Web端界面

3 智慧農(nóng)業(yè)溫室管控系統(tǒng)功能特點(diǎn)

1）系統(tǒng)以STM32 嵌入式芯片為核心設(shè)計(jì)終端節(jié)點(diǎn)和硬件電路，通過軟件程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境的分布式精準(zhǔn)控制，引入互聯(lián)網(wǎng)、無線通信技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)，通過上位機(jī)對(duì)溫室環(huán)境進(jìn)行智能遠(yuǎn)程監(jiān)控，克服現(xiàn)有農(nóng)業(yè)溫室系統(tǒng)短距離控制的缺陷。

2）數(shù)據(jù)庫(kù)管理服務(wù)以SQL Server 2012 為載體，存儲(chǔ)溫室環(huán)境和圖像數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)庫(kù)中創(chuàng)建多個(gè)表，保證數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)行流暢，對(duì)查詢效率進(jìn)行優(yōu)化處理，在采集數(shù)據(jù)表Data 中建立索引，并定期將數(shù)據(jù)以二進(jìn)制封存，減少數(shù)據(jù)庫(kù)壓力，提高查詢速度。

3）監(jiān)控系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)體現(xiàn)交互性、友好性和靈活性，便于管理人員操作。系統(tǒng)主界面可查詢溫室終端節(jié)點(diǎn)采集的所有數(shù)據(jù)和圖像。環(huán)境調(diào)控設(shè)備按鈕，可手動(dòng)開啟或關(guān)閉當(dāng)前溫室的外部設(shè)備。用戶管理功能需要用戶注冊(cè)才能使用，管理人員可為用戶設(shè)置一定的權(quán)限，從而防止數(shù)據(jù)被盜竊、篡改等安全問題。節(jié)點(diǎn)管理功能能夠單獨(dú)查看某一個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。

4）系統(tǒng)具有溫室環(huán)境數(shù)據(jù)超限預(yù)警功能和氣象預(yù)警功能。當(dāng)溫室環(huán)境參數(shù)超過預(yù)設(shè)值時(shí)，系統(tǒng)將在手機(jī)App 和Web 端以彈窗的方式發(fā)出預(yù)警提示，同時(shí)對(duì)卷簾機(jī)、通風(fēng)設(shè)備、加熱設(shè)備等進(jìn)行自動(dòng)控制，幫助農(nóng)戶及時(shí)發(fā)現(xiàn)溫室環(huán)境變化，科學(xué)精準(zhǔn)管理溫室環(huán)境。當(dāng)天氣突發(fā)異常時(shí)，系統(tǒng)通過嵌入的氣象預(yù)報(bào)功能，及時(shí)向農(nóng)戶發(fā)出氣象預(yù)警提示，幫助農(nóng)戶及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常，對(duì)溫室進(jìn)行保護(hù)性操作管理。

5）系統(tǒng)嵌入了針對(duì)不同農(nóng)作物生長(zhǎng)特點(diǎn)的大棚環(huán)境精準(zhǔn)管理方案和農(nóng)業(yè)專家咨詢，幫助農(nóng)戶對(duì)不同作物的種植選用最科學(xué)、合理的生長(zhǎng)環(huán)境管控，有效防止病蟲害發(fā)生，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)。

4 智慧農(nóng)業(yè)溫室管控系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

4.1 農(nóng)業(yè)與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，構(gòu)建農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

把田間地頭的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)+智慧設(shè)施現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技新格局。通過數(shù)字傳感器、無線網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)卷簾機(jī)、通風(fēng)、補(bǔ)光、噴淋灌溉等設(shè)備的自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制。設(shè)施農(nóng)業(yè)信息化綜合管理平臺(tái)由設(shè)施農(nóng)業(yè)信息管理和決策系統(tǒng)、設(shè)施農(nóng)業(yè)信息大數(shù)據(jù)中心、設(shè)施農(nóng)業(yè)管理中心等組成，對(duì)農(nóng)業(yè)提質(zhì)增效起到重要的支撐作用[8]。

4.2 智慧設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室，提升農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益

在武威羊下壩鎮(zhèn)農(nóng)村合作社使用智慧溫室管控設(shè)備，用戶通過Web 端及手機(jī)App 控制卷放簾，每天平均節(jié)約卷放簾時(shí)間1.8 h，增加光照時(shí)間2 h，提高育苗產(chǎn)量9%。自動(dòng)調(diào)控溫室溫濕度，提高出苗率8%。病蟲害發(fā)生明顯減少，節(jié)約用藥量65%，一個(gè)100 m2標(biāo)準(zhǔn)溫室節(jié)省人力2.5 個(gè)，年平均節(jié)約費(fèi)用0.6萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。自動(dòng)化噴淋灌溉技術(shù)根據(jù)不同作物特點(diǎn)，科學(xué)供給水、肥，提高肥料利用率，減少肥料用量50%，減少用水量40%，節(jié)水省肥，降低棚內(nèi)的濕度，減少病害發(fā)生，增加作物產(chǎn)量、改善作物品質(zhì)。農(nóng)戶可遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)查看溫室內(nèi)情況，調(diào)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，應(yīng)對(duì)突發(fā)惡劣天氣，減少人力成本，降低生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，提高管理水平[9]。

4.3 建立農(nóng)業(yè)知識(shí)庫(kù)，發(fā)揮高校智力支持作用

系統(tǒng)平臺(tái)上嵌入農(nóng)業(yè)科學(xué)種植知識(shí)庫(kù)，突破當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶種植、育苗的盲區(qū)和技術(shù)瓶頸，幫助種植大戶培訓(xùn)新員工。知識(shí)庫(kù)資料有高校專家、農(nóng)科院顧問的課程視頻，也可通過在線留言、解答疑問的形式進(jìn)行一對(duì)一咨詢，做到農(nóng)業(yè)專業(yè)精準(zhǔn)指導(dǎo)，訊息實(shí)時(shí)更新，農(nóng)戶可在第一時(shí)間了解相關(guān)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)知識(shí)，規(guī)避農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的風(fēng)險(xiǎn)和錯(cuò)誤，真正實(shí)現(xiàn)高校為鄉(xiāng)村振興提供智力服務(wù)[10]。

4.4 服務(wù)增值，技術(shù)助力

系統(tǒng)可提供針對(duì)不同蔬菜種植育苗需要的精準(zhǔn)種植管理方案，從蔬菜育苗到環(huán)境管理，精準(zhǔn)把控，降低生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，提升作物品質(zhì)。App和Web端一鍵式操作，充分考慮了低文化水平人員操作的需要。員工打卡信息通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)上傳，方便進(jìn)行員工考勤管理。系統(tǒng)擴(kuò)展性好，可與溫室大棚現(xiàn)有設(shè)備連接，無需更換原有設(shè)備。

5 結(jié)語

本系統(tǒng)將嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中，構(gòu)建了一個(gè)智慧農(nóng)業(yè)溫室管控系統(tǒng)，助力農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)。該系統(tǒng)在甘肅河西等地區(qū)推廣應(yīng)用，幫助農(nóng)戶科學(xué)種植、精準(zhǔn)控制、節(jié)約成本，得到了當(dāng)?shù)卣娃r(nóng)戶的肯定。